生物修复剂TF3对铅污染土壤的修复效果研究

郜雅静, 李建华, 卢晋晶, 靳东升, 郜春花*

生物修复剂TF3对铅污染土壤的修复效果研究

郜雅静1, 李建华2, 卢晋晶2, 靳东升2, 郜春花2*

1. 山西大学生物工程学院, 太原 030006 2. 山西省农业科学院农业环境与资源研究所, 太原 030031

为研究生物修复剂TF3(0.5 g·kg-1肠杆菌干菌体+20 g·kg-1生物炭+20 g·kg-1有机肥）对铅污染土壤的修复效果, 选取5种铅浓度土壤为研究对象, 采用盆栽实验方法, 研究施用修复剂TF3后, 铅在油菜体内的富集、转运, 以及土壤有效态铅、酶活性、微生物的响应。结果表明: TF3能够促进油菜生长、显著降低油菜地上部、地下部铅含量。与CK组相比, TF3组油菜地上部、地下部及总富集系数分别降低20.12%—71.91%、 37.75%—60.13%、22.45%—68.77%。TF3组显著降低土壤有效态铅含量, 降低23.10%—39.84%。添加TF3, 土壤四种酶活性和微生物数量都有不同程度的增加, 真菌、放线菌、细菌分别较CK组增加11.76%—40.00%、6.45%—25.61%、120.20%—290.24%。研究表明, TF3降低了污染土壤铅对油菜的胁迫作用, 可以作为修复铅污染的一种有效生物修复剂。

生物修复剂; 铅含量; 污染土壤; 油菜; 富集系数

0 前言

铅作为农业环境中主要重金属污染元素之一, 主要通过工业废物排放、汽车废气沉降、生活垃圾随意堆放等途径, 沉积到土壤中, 不易被降解, 最终随着土壤-植物-动物逐级累积, 最终进入人体[1], 对人类的健康和生存构成威胁。据有关统计, 全世界每年铅用量大约有4×106t, 但只有1/4的铅实现了回收再利用, 剩余大部分造成了环境污染[2]。铅在重金属污染物中, 属于毒性最强之一, 含量最高的一类[3]。因此, 治理铅污染土壤迫在眉睫。

目前, 重金属污染土壤修复常用的处理方法多为物理、化学方法, 这些方法都会不同程度地产生二次污染, 而且处理成本相对较高, 过程操作复杂[4]。而生物修复具有费用低、效果好等优势, 因此具有良好的发展前景[5]。目前针对重金属生物修复主要以单接微生物为主, 而直接施加微生物会导致微生物的流失或吞噬, 而且微生物生长代谢能力不佳, 对重金属的固定能力有限[6]。因此本文通过前期实验研发了一种生物修复剂TF3由0.5 g·kg-1肠杆菌干菌体、20 g·kg-1生物炭和20 g·kg-1有机肥组成。肠杆菌通过在铅污染土壤筛选而得, 具有高耐铅性且在水溶液中对Pb2+吸附率可以达到98%以上[7]。生物炭具有孔隙结构较大、表面活性大、吸附能力很强等优势, 另外它还具有性质及稳定的碳结构, 能够增加有机质含量、改良土壤性质[8], 使其在固定重金属方面有很大的潜力。有机肥能够提供土壤养分、疏松土壤、促进土壤养分的转换, 改善土壤微环境。因此, 该实验通过在不同浓度铅污染土壤上种植油菜, 来验证TF3对铅污染土壤的修复效果。

1 材料与方法

1.1 供试材料

实验于2018年5月—7月在山西省农业科学院温室内进行。试验所在地海拔790 m, 属于大陆性暖温带半干旱季风气候, 无霜期平均149—175 d, 年均降水量为468.4 mm。

供试修复剂TF3: 0.5 g·kg-1肠杆菌干菌体+ 20 g·kg-1生物炭+20 g·kg-1有机肥(TF3: 土壤=1:25)。

菌株: 自主筛选的菌株肠杆菌属() GDYX03, 形态呈扩展形, 表面光滑凸起, 易挑起, 乳白色且半透明, 为革兰氏阴性菌。

市售的生物质炭、商品有机肥基础性质见表1、表2。

供试植物为青美油菜(L), 购买于山西瑞丰种业。

供试污染土壤制备: 添加不同浓度的外源铅溶液, 用Pb(NO3)2分析纯试剂配置, 加入去离子水, 使所有处理的土壤水分达到田间持水量的70%, 充分混匀装入塑料框中, 干湿交替, 老化10个月, 获得一系列铅浓度的实验土壤[9], 具体性质见表3。

表1 生物炭理化性质

表2 有机肥的养分含量

表3 土壤基础性质

1.2 实验设计

选取5个铅浓度(0、500、1000、2000、4000mg·kg-1)进行修复实验, 采用裂区设计, 一组中不添加修复剂为CK组, 另一组中添加修复剂为TF3组, 种植油菜, 生长时间55 d(成熟期), 每个处理4次重复。所有处理基施无机肥20 g (N:P2O5:K2O为4:3:3), 与土壤混匀后装盆, 每盆装土量为2.5 kg, 每盆从育苗盘挑选长势均匀的3株移入, 以称重法保持土壤含水量在田间持水量的75%左右。

1.3 样品采集

植株样品的采集: 收获时, 将植株完整的从盆中拿小铲子轻轻挖出, 分离地上、地下部, 分别先用自来水冲洗干净泥土, 再用去离子水冲洗干净, 105 ℃杀青30 min, 然后65 ℃烘干, 粉碎、装入自封袋中储存, 用于测定植株铅含量。

土壤样品的采集: 挖起植株, 采用抖落法收集根区土壤, 用灭菌的镊子去除土壤中的杂质, 一部分装入已编号的无菌自封袋, 置于4 ℃冰箱, 尽快进行微生物数量及多样性的分析; 一部分风干、磨碎、过筛, 用于土壤中铅含量的测定和土壤酶活性的分析。

1.4 实验指标测定方法

(1)铅含量的测定

植株中铅含量: 加入硝酸, 高氯酸酸化, 使用微波消解仪消解, 采用火焰原子吸收分光光度计(240FSAA)测定[10], 单位: mg·kg-1。

土壤有效态铅含量: 用DTPA(二乙三胺五乙酸)浸提剂(0.005 mol·L-1DTPA+0.1mol·L-1TEA(三乙醇胺)+0.01 mol·L-1CaCl2)浸提, 0.45 um微孔滤膜过滤, 采用火焰原子吸收分光光度计(240FSAA)测定[11], 单位: mg·kg-1。

土壤残留铅含量: 加入盐酸-硝酸-氢氟酸-高氯酸酸化, 微波消解仪消解, 采用火焰原子吸收分光光度计(240FSAA)测定[11], 单位: mg·kg-1。

(2)土壤酶的测定

脲酶活性: 苯酚钠-次氯酸钠比色法; 磷酸酶活性: 磷酸苯二钠法; 蔗糖酶活性: 3, 5-二硝基水杨酸比色法[12]。过氧化氢酶活性: 采用紫外分光光度法[13]。

(3)土壤微生物数量的测定

稀释平板计数法: 细菌培养使用牛肉膏蛋白胨培养基, 放线菌培养使用改良高氏Ⅰ号培养基, 真菌培养使用孟加拉红培养基[14]。

微生物多样性采用Biolog Eco板法测定[15]。

1.5 数据统计

盆栽实验数据用四个重复的平均数±标准偏差表示(X±SD,=4), 差异显著性用 SPSS 18.0软件进行Duncan 法检验, 分析在＜0.05水平(表示差异达显著水平)。Microsoft Excel 2007软件作图。

1.6 计算公式

(3)

(4)

式中: 各处理值为TF3组各测量指标数值; CK处理值为对照组测量指标的具体数值; C地上为油菜地上部铅含量, mg·kg-1;地下为油菜地下部铅含量, mg·kg-1;土壤为土壤残留铅含量, mg·kg-1。

2 结果与分析

2.1 TF3对污染土壤中油菜生长的影响

2.1.1 TF3对污染土壤中油菜生长指标的影响

修复剂TF3对油菜生长的影响见表4, 在铅浓度为0—4000 mg·kg-1范围内添加TF3, 油菜叶片数、株高均显著增加, 叶绿素在铅浓度为4000 mg·kg-1, 增加幅度最大, 增率达5.78%。在铅浓度为2000 mg·kg-1时, 油菜叶片数、株高增率最大, 较CK分别增加39.77%、34.54%、85.27%。

随土壤中铅浓度的增加, 添加TF3和CK两组中, 叶片数、株高均表现为先增加后降低, 在铅浓度为500 mg·kg-1时, 达到最大值; 而油菜叶绿素随着铅浓度的增加, 一直减小, 说明了铅浓度的增大, 降低了叶绿素合成作用, 分解作用增强, 降低了叶绿素含量。

2.1.2 TF3对污染土壤中油菜生物量的影响

由表5可知, 随土壤中铅浓度的增加, TF3和CK两组中, 油菜生物量表现为先增加后降低趋势, 在铅浓度为500 mg·kg-1时, 达到最大量。与CK组相比, 土壤中添加TF3后, 油菜生物量均显著增加(<0.05)。在铅浓度为2 000 mg·kg-1时, 地上部鲜重、地下部干重增率最大, 分别增加120.36%、66.96%; 地下部鲜重在铅浓度4000 mg·kg-1时, 增率最大为60.06%; 地上部干重在铅浓度1000 mg·kg-1时增率最大, 较CK增加81.99%。

表4 TF3对污染土壤中油菜生长指标的影响

注:表中数据形式为: 平均值±标准差, 重复数=4; 同列不同的小写字母表示同指标之间有显著性差异(<0.05), 相同的小写字母表示同指标间差异不显著,下表相同。

表5 TF3对污染土壤油菜生物量的影响

2.2 TF3对污染土壤油菜地上部、地下部铅含量的影响

2.2.1 TF3对污染土壤中油菜地上部铅含量的影响

由图1可知, 在污染土壤中CK组中油菜地上部铅含量为0.44—129.99 mg·kg-1, TF3组中油菜地上部铅含量为0.22—90.63 mg·kg-1, 添加TF3后使油菜地上部的铅含量显著降低30%—50%。在土壤铅浓度为 0、500、1000、2000、4000 mg·kg-1时, 地上部铅含量分别降低50.01%、47.62%、42.36%、41.28%、30.28%。添加TF3后均降低了油菜地上部的铅含量。

钻戒若在许沁手上，许沁大可不必惊慌，大不了退了钻戒——可钻戒不在她手里；如果钻戒真的寄国外朋友了，她也不必惊慌，让朋友再寄回来也不很难——事实上她并没有寄国外朋友；她的确把钻戒送人了，且送的人非亲非友，而是个当官的——给当官送礼，一般皆有求于官，焉能再索讨回来呢？东西要回来了，求人的事就泡汤了。

2.2.2 TF3对污染土壤油菜地下部铅含量的影响

由图2可知, 在污染土壤中, 油菜地下部铅含量远远大于地上部铅含量, 油菜地下部铅含量与地上部铅含量规律一致, 均随着土壤铅浓度的增加, 油菜地下部铅含量逐渐增加。CK组中的油菜地下部铅含量为1.22—851.36 mg·kg-1, 添加TF3组油菜地下部铅含量为0.45—763.01 mg·kg-1, TF3的施用显著降低了油菜地下部铅含量, 使油菜地下部的铅含量降低10%—30%。在铅浓度为 0、500、1000、2000、4000 mg·kg-1时, 地下部铅含量分别降低50.01%、47.62%、42.36%、41.28%、30.28%。

2.3 TF3对油菜中铅转移因子、富集系数的影响

TF3对油菜中铅转移因子和富集系数的影响见表6。TF3对油菜中铅的转移因子影响不明显, 在土壤铅浓度大于500 mg·kg-1, 添加TF3后, 油菜中铅的转移因子减小, 阻碍了油菜将铅从地下部向地上部分转移; 在土壤铅浓度小于500 mg·kg-1, 添加TF3后油菜中铅转移因子增大。

在土壤铅浓度0—4000 mg·kg-1范围内加入TF3后显著降低了油菜中铅地上部、地下部、总富集系数。地下部及总富集系数在铅浓度1000 mg·kg-1最大, 在铅浓度1000 mg·kg-1时, CK组地下部富集系数、总富集系数分别为0.397、0.454, TF3组分别为0.250、0.278, TF3组显著降低37.75%— 60.13%、22.45%—68.77%。地上部富集系数在铅浓度500 mg·kg-1时达到最大, CK处理为0.063、添加TF3处理为0.028, TF3组显著降低20.12%— 71.91%。

2.4 TF3对污染土壤铅含量的影响

2.4.1 TF3对污染土壤有效态铅含量的影响

从图3可以看出, 添加TF3后均能够降低土壤有效态铅含量, 在铅浓度大于500 mg·kg-1达到显著降低(<0.05)。在土壤铅浓度0—4000 mg·kg-1范围内添加TF3, 有效态铅含量较CK组降低幅度均达到20%以上, 且随着铅浓度的增大, 降低的幅度逐渐减小。在铅浓度0—4000 mg·kg-1范围内, CK组有效态铅含量为1.68—2705.21 mg·kg-1; TF3组有效态铅含量为1.02—2080.41 mg·kg-1, TF3组较CK组有效态铅含量分别降低39.84%、28.31%、27.21%、26.56%、23.10%。

2.4.2 TF3对污染土壤残留铅含量的影响

由图4可以看出, 在不同铅浓度中添加TF3土壤残留铅含量均有所增加。在土壤铅浓度0—4000 mg·kg-1范围内, CK组残留铅含量为20.33—3470.03 mg·kg-1; TF3组残留铅含量为26.4—3889.83 mg·kg-1。在5个土壤浓度下, TF3组较CK组残留铅含量分别增加6.07、122.50、151.00、226.83、419.80 mg·kg-1, 增加幅度分别达到29.84%、18.28%、15.15%、12.15%、12.10%。随着土壤铅浓度的增大, TF3对土壤中残留铅增加幅度在逐渐减小。通过添加TF3对土壤重金属的固定增加, 导致土壤有效态铅含量降低, 土壤残留铅含量增加。

图1 TF3对污染土壤油菜地上部铅含量的影响

Figure 1 Effect of TF3 on lead content in the above ground part of rapeseed in contaminated soil

图2 TF3对污染土壤油菜地下部铅含量的影响

Figure 2 Effect of TF3 on lead content in the under part of rapeseed in contaminated soil

表6 TF3对油菜中铅转移因子和富集系数的影响

2.5 TF3对污染土壤酶活性的影响

由图5可知, 铅可刺激油菜根区土壤过氧化氢酶活性, 随着铅浓度增加土壤过氧化氢酶活性增加。添加TF3后土壤氧化氢酶活性增加, 增率为3.54%—7.30%。在铅浓度0、500、1000、2000 mg·kg-1, 添加TF3过氧化氢酶活性增加达到显著性差异(<0.05)。在铅浓度4000 mg·kg-1, 添加TF3增加没有达到显著性差异。

图3 TF3对污染土壤有效态铅含量的影响

Figure 3 Effect of TF3 on available lead content in contaminated soil

图4 TF3对污染土壤残留铅含量的影响

Figure 4 Effect of TF3 on residual lead content in contaminated soil

由图6可知, 在污染土壤中添加TF3后能够增加土壤蔗糖酶活性, 其增率随土壤铅浓度增大逐渐减小。在铅浓度为 0、500、1000、2000、4000 mg·kg-1时, 增率分别为23.98%、19.21%、15.38%、8.62%、7.49%。在铅浓度为500、1000 mg·kg-1时, 增加达显著性差异。说明添加TF3对低浓度铅胁迫根区土壤蔗糖酶活性促进作用明显。土壤蔗糖酶活性在铅浓度为500 mg·kg-1时达到最强, 说明一定量的铅浓度对土壤蔗糖酶活性有刺激作用, 在浓度超过2000 mg·kg-1对蔗糖酶有抑制作用。

图5 TF3对污染土壤过氧化氢酶活性的影响

Figure 5 Effect of TF3 on catalase activity in contaminated soil

图6 TF3对污染土壤蔗糖酶活性的影响

Figure 6 Effect of TF3 on the activity of invertase in contaminated soil

由图7可知, 磷酸酶活性变化与蔗糖酶活性变化趋势一致, 添加TF3后能够增加油菜根区土壤中磷酸酶活性, 其增率为11.38%—21.90%, 在铅浓度为500 mg·kg-1时增率最大, 在铅浓度为4000 mg·kg-1时增加达显著性差异。说明加入TF3铅胁迫根区土壤磷酸酶活性促进作用不明显。随土壤铅浓度增加磷酸酶活性先增加后降低, 在铅浓度4000 mg·kg-1时活性最低, 在铅浓度为500 mg·kg-1最高, 说明在一定铅浓度下对土壤磷酸酶活性有一定的刺激作用。

由图8可知, 添加TF3增加油菜根区土壤中脲酶活性, 其增率为20.25%—41.51%, 在铅浓度为0、500、1000 mg·kg-1时增加达显著性差异。说明添加TF3在小于铅浓度1000 mg·kg-1对土壤磷酸酶活性起促进作用。脲酶活性同样在铅浓度为500 mg·kg-1最高, 在铅浓度为4000 mg·kg-1最低, 说明一定含量的铅对油菜根区土壤中脲酶活性有一定的刺激作用。

2.6 TF3对污染土壤微生物的影响

2.6.1 TF3对污染土壤微生物区系的影响

由表7可看出, 油菜根区土壤微生物数量: 细菌>放线菌>真菌。在污染土壤中添加TF3能够增加土壤真菌数量, 在土壤铅浓度0、2000 mg·kg-1增加显著, 分别较CK增加40.00%、31.82%。在铅浓度500、1000、4000 mg·kg-1增加不显著, 分别较CK增加11.76%、11.48%、39.39%。随土壤铅浓度的增加, 土壤真菌在铅浓度500 mg·kg-1时数量最多。

添加TF3后对土壤放线菌增加不显著, 在铅浓度0—4000 mg·kg-1范围内增率为6.45%—25.61%, 在铅浓度为4000 mg·kg-1增率最大。随着铅浓度的增加, 两组处理油菜根区土壤放线菌数量变化同真菌变化一致, 先增加后减少, 在铅浓度为500 mg·kg-1时数量最多。

在铅污染土壤中添加TF3组均显著增加土壤细菌数量, 且TF3组比CK组细菌数量增加达到1.2— 2.9倍。对土壤真菌、细菌、放线菌, 添加TF3后显著增加根区土壤细菌的数量, 这可能与TF3组中加入的耐铅菌有关。

2.6.2 TF3对污染土壤微生物多样性的影响

多样性指数会尽可能详细的反应微生物群落物种组成和个体数量的分布情况, 反应微生物功能多样性的不同侧面[17]。由表8可看出, McIntosh指数越大, 说明群落均匀性越好。不同土壤铅浓度下, TF3组McIntosh指数均比CK组大, 说明添加TF3后, 增加了土壤微生物群落的均匀性。Simpson指数越大, 说明群落多样性越好[18]。TF3组较CK组, 随着铅浓度的增大Simpson指数分别增加2.37%、2.89%、5.81%、-1.36%、-1.74%。在铅浓度大于2000 mg·kg-1时, 添加TF3, Simpson指数减小。Shannon均匀度指数越大, 说明群落越均一, 种类之间个体分布越均匀。添加TF3组, Shannon均匀度数值低于CK组, 说明相同铅浓度, 添加TF3组降低了土壤微生物的均匀度, 使土壤微生物不均匀, 突出了TF3中耐铅菌的作用。碳源利用丰富度指数S越大, 说明微生物可利用的碳源越多, 多样性越好。添加TF3组, 碳源丰富度指数分别较CK组增加15.69%、10.93%、10.13%、1.55%、3.25%。随着铅含量的增加, 添加TF3后对碳源丰富度指数增加的幅度越来越小。

图7 TF3对污染土壤磷酸酶活性的影响

Figure 7 Effect of TF3 on phosphatase activity in conta­minated soil

图8 TF3对污染土壤脲酶活性的影响

Figure 8 Effect of TF3 on urease activity in contaminated soil

表7 TF3对污染土壤微生物区系的影响

表8 TF3对污染土壤微生物多样性的影响

3 讨论

种植植物是评估原位修复效果最有效的方法。通过添加修复剂来固定土壤重金属含量的变化可以通过植物中重金属含量的变化及植物生物量体现。大多数金属离子通过与修复剂结合, 从而被固定在修复剂结构中, 修复剂极大地限制了重金属离子在土壤中的迁移和富集。选择合适的修复剂对铅污染进行修复效果评估, 能更好地研究铅离子在土壤－植物系统中的相互作用。

本实验结果表明, 修复剂的施用能够增加油菜生物量, 冯佳蓓也发现在铅污染土壤中施加修复剂可以有效增加小白菜生物量; 但李红等[19]通过在铅污染土壤中加入蒙黏土与含磷材料作为修复剂, 发现其对小白菜生长无显著影响。该实验中油菜显著增加, 可能是因为添加的TF3, 为油菜生长提供了一个相对良好的环境; 同时生物质炭、有机肥的添加能提高土壤碳、磷等营养元素含量, 促进作物对养分的吸收。而且, TF3能够促进土壤对铅的固定, 缓解对油菜的胁迫作用。

本研究表明, 加入修复剂TF3能显著降低油菜地上部、地下部铅含量。这可能是因为植物对金属的吸收量主要取决于土壤有效态重金属浓度。添加TF3后降低土壤中有效态铅含量, 减少了植物对铅吸附作用; 此外, 修复剂可以调节土壤微生态环境, 促进养分活化, 增加植物生物量。董同喜等[20]发现畜禽粪便可降低水稻土中重金属的生物有效性, 进而降低水稻体内重金属铅含量; 曹书苗等[16]也发现加入生物肥可降低黑麦草土壤有效态铅含量, 导致黑麦草地上和根部铅含量降低; 这些研究与本研究有相似的结果。

研究发现, 铅主要积累于油菜根系中, 油菜地下部分对铅的富集能力远高于地上部分, 导致地下部分铅含量高于地上部分。说明铅不易在植株体内转运, 由转运因子也可以看出。加入TF3增加了油菜生物量, 降低了油菜地上部、地下部的铅含量, 这有利于控制植株体内的铅残留量[21]。同时TF3有效降低了油菜地下部对地上部的转运能力, 转运因子很低, 转运能力弱。油菜对Pb的富集能力高于转运能力, 尤其是地下部富集能力, 因此应该更关注Pb的富集作用。石汝杰等[22]发现铅更易于被黑麦草地下部吸收, 不同处理地下部累积铅含量均大于地上部, 这与本实验研究结果一致。植株受铅胁迫生长后, 随着土壤中铅浓度增加, 油菜地上部和地下部的铅含量也增加, 土壤中铅含量与植株内部铅含量有一定的相关性。曹书苗等[16]研究黑麦草对铅的耐受性和积累时也有相似的结果。

重金属有效态可反映重金属移动性、毒性和生物有效性, 受土壤重金属总量、有机质含量等多种因素影响[23]。本文研究中可知, 添加TF3可显著降低土壤有效态铅含量。张敏[6]通过透射电镜发现该菌株对 Pb2+的吸附主要是细胞表面的吸附, 也可以通过胞外某阴离子与Pb2+发生络合反应形成沉淀。生物炭富含有较大的比表面积和大量官能团, 是重金属离子的重要载体, 可以吸附大量重金属元素[24]。有机肥在多数文献[24-25]报道中表现促进作物生长, 具有增产作用, 被广泛认为是影响土壤肥力的重要参数, 是增加作物产量、改善土壤性质的重要因子。通过耐铅菌、生物炭与有机肥对土壤重金属的固定增加, 导致土壤有效态铅含量降低, 增加了土壤残留铅含量。郑少玲等[26]通过土培试验和盆栽试验研究发现施用生物修复剂可以降低芥蓝体内重金属的含量, 增加生物量。Farfel 等人[27]发现在铅污染土壤中添加污泥堆肥可提高草坪覆盖面积, 降低土壤有效态铅; 这些研究与本研究有相似的结果。

土壤酶活性一定程度上能够反应土壤的养分含量和受污染程度。本研究中, 加入TF3对四种酶活性都表现为增加作用。可能是因为TF3对土壤重金属含量影响较大, 有利于植物的生长, 增强了土壤酶活性。杨海征[28]通过在污染土壤中施加鸡粪堆肥, 发现可以提高土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶和过氧化氢酶的活性。杨继飞[29]研究发现在铅污染土壤上施用菌肥、腐殖酸, 能降低重金属铅的毒害, 提高玉米、高粱、蓖麻、向日葵含量, 增加土壤酶活性, 施用菌肥和腐殖酸可以达到修复铅污染土壤的目的。

土壤微生物数量反应了土壤养分含量和肥力水平, 添加TF3能显著提高铅胁迫下油菜土壤微生物活性。这可能是因为一方面加入的耐铅菌可以在土壤中大量繁殖, 促进微生物数量的增加; 一方面加入的有机肥含有丰富矿质元素和碳水化合物, 能够疏松土壤、增加土壤孔隙度、提高土壤透气性、改善土壤微环境, 为微生物生长提供一定的养分, 增强土壤生物活性[30]。牛旭[31]发现添加牛粪堆肥所制成的生物有机肥, 可提高种植春小麦的矿区复垦土壤微生物数量。张连忠等[32]也发现有机肥施用可提高果园根区土壤细菌、放线菌、真菌的数量, 明显减轻重金属对土壤微生物的危害, 改善重金属污染土壤, 这与本研究有相似的结果。

4 结论

实验结果表明, 在土壤铅浓度为0—4000 mg·kg-1范围内添加修复剂TF3, 均可以显著促进油菜生长, 减少油菜体内铅含量; 降低土壤有效态铅含量23.10%以上、增加土壤酶活性和微生物多样性。TF3降低了污染土壤铅对油菜的胁迫作用, 可以作为修复铅污染的一种有效生物修复剂。今后的研究中, 需要将生物修复剂与市售修复剂的效果进行比较, 为进一步应用TF3对重金属污染土壤进行治理提供一定理论依据和实践指导。

[1] 郜雅静, 郜春花, 李建华, 等. 重金属污染土壤的微生物修复技术探讨[J]. 山西农业科学, 2018, 46(1): 150–154.

[2] 向捷, 陈永华, 向敏, 等. 土壤重金属污染修复技术比较研究[J]. 安徽农业科学, 2014, 42(22): 7367–7369.

[3] 靳治国. 耐铅镉菌株的筛选及其在污染土壤修复中的应用[D]. 重庆: 西南大学, 2010.

[4] DONMEZ G and KOCBERBER N. Bioaccumulation of hexavalent chromium by enriched microbial cultures obtained from molasses and NaCl containing media[J]. Process Biochemistry, 2005, 40(7): 2493–2498.

[5] 赵素丽, 谯华. 生物修复技术的发展现状[J]. 重庆工业高等专科学校学报, 2004, 19(5): 14–16.

[6] 王婷. 高效诱变菌与生物炭复合修复重金属污染土壤的研究[D]. 天津: 南开大学, 2013.

[7] 张敏, 郜春花, 李建华,等. 一株耐铅土著微生物的吸附特性及机制研究[J]. 山西农业科学, 2018, 46(8): 1321– 1328.

[8] SIGUA G C, STONE K C, HUNTP G, et al. Increasing biomass of winter wheat using sorghum biochars[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2015, 35(2): 739–748.

[9] 周宇杰, 赵文, 罗春岩, 等. 有机肥对铅在土壤中形态分配的影响[J]. 环境化学, 2018, 37(3): 534–543.

[10] DENG Zujun, ZHANG Renduo, SHI Yang, et al. Enhancement of phytoremediation of Cd-and Pb-contaminated soils by self-fusion of protoplasts from endophytic fungus Mucor sp. CBRF[J]. Chemosphere, 2013, 91(1): 41–47.

[11] UDOVIC M, DROBNE D, LESTAN D. An in vivo invertebrate bioassay of Pb, Zn and Cd stabili­zation in contaminated Soil[J]. Chemosphere, 2013, 92(9): 1105–1110.

[12] 关松荫, 张德生, 张志明. 土壤酶及其研究方法[M]. 北京: 中国农业出版社, 1986.

[13] 杨兰芳, 曾巧, 李海波, 等. 紫外分光光度法测定土壤过氧化氢酶活性[J]. 土壤通报, 2011, 42(1): 207–210.

[14] NASEEM H, BANO A. Role of plant growth- promoting rhizobacteria and their exopolysaccharide in drought tolerance of maize[J]. Journal of Plant Interactions, 2014, 9(1): 689–701.

[15] SCHUTTER M, Dick R. Shifts in substrate utilization potential and structure of soil microbial communities in response to carbon substrates[J]. Soil Biology& Bioche­mistry, 2001, 33(11): 1481–1491.

[16] 曹书苗. 放线菌强化植物修复土壤铅镉污染的效应及机理[D]. 西安: 长安大学, 2016.

[17] 马克平, 黄建辉, 于顺利, 等. 北京东灵山地区植物群落多样性的研究Ⅱ.丰富度、均匀度和物种多样性指数[J]. 生态学报, 1995, 15(3): 268–277.

[18] RAUNKAIER C. The life form of plant and statistical plant geography[M]. Oxford: Clarendon Press, 1934: 623.

[19] 李红, 区杰泳, 颜增光, 等. 牛骨炭与伊/蒙黏土组配改良剂对土壤中Cd 的钝化效果[J]. 环境科学研究, 2018, 31(4):725–731.

[20] 董同喜, 张涛, 李洋, 等. 畜禽粪便有机肥中重金属在水稻土中生物有效性动态变化[J]. 环境科学学报, 2016, 36(2): 621–629.

[21] 江春玉, 盛下放, 何琳燕, 等. 一株铅镉抗性菌株WS34的生物学特性及其对植物修复铅镉污染土壤的强化作用[J]. 环境科学学报, 2008, 28(10): 1961–1968.

[22] 石汝杰. 草坪植物对铅的吸收积累及其根际效应[D]. 贵阳: 贵州大学, 2005.

[23] 钟晓兰, 周生路, 李江涛, 等. 土壤有效态Cd、Cu、Pb的分布特征及影响因素研究[J]. 地理科学, 2010, 30(2): 254–260.

[24] 王秀梅, 安毅, 秦莉, 等. 对比施用生物炭和肥料对土壤有效镉及酶活性的影响[J]. 环境化学, 2018, 37(1): 67– 74.

[25] 王期凯, 郭文娟, 孙国红, 等. 生物炭与肥料复配对土壤重金属镉污染钝化修复效应及酶活性的影响[J]. 农业资源与环境学报, 2015, 32(6): 583–589.

[26] 郑少玲, 陈琼贤, 马磊, 等. 施用生物有机肥对芥蓝及土壤重金属含量影响的研究[J]. 农业环境科学学报, 2005, 24(增刊): 62–66.

[27] FARFEL M R, ORLOVA A O, CHANEY R L, et al. Biosolids compost amendment for reducing soil lead hazards: a pilot study of Orgro amendment and grass seeding in urban yards[J]. Science of the Total Environment, 2005, 340(1): 81–95.

[28] 杨海征. 鸡粪堆肥对重金属污染土壤茼蒿品质,土壤 Cu、Cd 形态和酶活性影响[D]. 武汉: 华中农业大学, 2009.

[29] 杨继飞. 菌肥对铅污染土壤中玉米生物效应的研究[D]. 太原: 山西农业大学, 2015.

[30] 李建华. 微生物菌剂对矿区复垦土壤的生态效应研究[D]. 太原: 山西大学, 2009.

[31] 牛旭. 生物有机肥对矿区复垦土壤微生物多样性及小麦生长的影响[D]. 太原: 山西大学, 2014.

[32] 张连忠, 路克国, 王宏伟, 等. 重金属和生物有机肥对苹果根区土壤微生物的影响[J]. 水土保持学报, 2005, 19(2): 92–95.

Bioremediation agent reduces the stress of lead in polluted soil on rapeseed

Gao Yajing1, Li Jianhua2, Lu Jinjing2, Jin Dongsheng2, Gao Chunhua2*

1. College of Biological Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, China 2. Institute of Agricultural Environment & Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030031, China

In order to study the repairing effect of bio-remediation agent TF3(0.5 g·kg-1enterobacteriaceae and 20 g·kg-1bio-char and 20 g·kg-1organic fertilizer) on lead-contaminated soil, five lead concentrationswere selected. The pot experiment method was used to study the enrichment and transport of lead in rapeseed and the changes of soil available lead, the enzyme activity and microbial response after application of repair agent TF3. The results showed that TF3 could promote the growth of rapeseed and significantly reduce the lead content in the above ground and under-ground parts of rapeseed. Compared with CK group, the above ground, under-ground and total enrichment factors of TF3 group were decreased by 20.12% to 71.91%, 37.75% to 60.13% and 22.45% to 68.77%, respectively. The TF3 group significantly reduced the effective lead concentration in the soilby 23.10% to 39.84%. With the addition of TF3, the four enzyme activities and the number of microorganisms in the soil were increased to different degrees. The fungi, actinomycetes and bacteria were increased by 11.76% to 40.00%, 6.45% to 25.61% and 120.20% to 290.24%, respectively. Our results indicated that TF3 reduced the stress of lead-contaminated soil on rapeseed and could be used as an effective bio-remediation agent for controlling lead pollution.

bio-remediation agent; lead content; contaminated soil; rape; enrichment factor

10.14108/j.cnki.1008-8873.2020.02.015

X53

A

1008-8873(2020)02-114-10

2019-06-01;

2019-10-10

国家重点联合基金项目“复垦土壤功能微生物演变特征及定向调控 ”(U1710255); 山西省农科院农业科技创新研究课题“矿区复垦土 壤功能微生物定向调控技术研究”(YCX2018DZYS02);山西省科技成果转化引导专项项目"矿区复垦土壤快速培肥技术示范推广"(201804D131049)

郜雅静(1993—), 女, 在读研究生, 主要从事污染土壤生物修复研究, E-mail: 884076352@qq.com

郜春花(1963—), 女, 本科, 研究员, 主要从事农业微生物研究, E-mail: chunhuagao@163.com

郜雅静, 李建华, 卢晋晶, 等. 生物修复剂TF3对铅污染土壤的修复效果研究[J]. 生态科学, 2020, 39(2): 114–123.

Gao Yajing, Li Jianhua, Lu Jinjing, et al. Bioremediation agent reduces the stress of lead in polluted soil on rapeseed[J]. Ecological Science, 2020, 39(2): 114–123.